Studi Numerik Pengaruh Kecepatan Angin terhadap Critical radius dan Distribusi Temperatur pada Pipa Uap

JURNAL TEKNIK ITS Vol. 4, No. 1, (2015) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)

B-52

Studi Numerik Pengaruh Kecepatan Angin terhadap
Critical radius dan Distribusi Temperatur pada Pipa
Uap
Eka Arisma Setyo Nugroho dan Prabowo
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail: prabowo@me.its.ac.id
Abstrak—Umumnya transmisi uap panas menggunakan pipa
dengan diameter yang besar. Pada transmisi uap panas tersebut,
kehilangan panas dan penurunan temperatur selalu terjadi.
Penambahan insulasi pada pipa uap panas akan sangat
menguntungkan, karena akan meminimalkan heat loss. Maka
perlu dilakukan penelitian guna menentukan critical radius dan
ketebalan optimum pada pipa uap panas. Pada penelitian ini,
proses analisa dilakukan dengan menggunakan software Gambit
dan Fluent. Pada Gambit dilakukan pembuatan domain simulasi
dan meshing untuk diameter luar pipa sebasar 168 mm dan

diameter 30 mm. Kedua, dilakukan penentukan kondisi batas
pada kedua ukuran pipa. Ketiga, dilakukan entry properties
pada Fluent, yaitu variasi kecepatan (1 m/s, 3 m/s, 5 m/s),
temperatur uap panas (773 K), temperatur sekeliling (300 K),
material pipa dan insulasi serta nilai konduktivitas masingmasing. Hasil yang didapatkan pada penelitian ini adalah critical
radius tidak terjadi pada pipa dengan diameter luar 168 mm.
Sedangkan pipa dengan diameter 30 mm, terjadi pada ketebalan
insulasi 2 mm. Temperatur permukaan luar pipa tanpa insulasi
terendah didapatkan pada kecepatan angin 5 m/s sebesar 755,3
K. Heat loss terbesar terjadi pada pipa tanpa insulasi dengan
kecepatan angin 5 m/s dan ketebalan insulasi 0 mm sebesar
11953,6W/m dan terkecil pada kecepatan angin 1 m/s dengan
ketebalan insulasi 100 mm sebesar 264,38 W/m. Sedangkan
untuk hasil teori, heat loss terbesar pada pipa tanpa insulasi
dengan kecepatan angin 5 m/s sebesar 11641,74 W/m dan terkecil
pada pipa dengan insulasi 100 mm dengan kecepatan angin 1 m/s
sebesar 263,77 W/m. Ketebalan optimum dari sumber panas
batubara sebesar 38 mm, sumber panas fuel oil sebesar 100 mm
dan sumber panas gas alam sebesar 43 mm.
Kata kunci—critical radius, distribusi temperatur, heat loss,

insulasi, ketebalan optimum, pipa uap panas.

I. PENDAHULUAN
MUMNYA penyaluran uap panas menggunakan pipa
dengan diameter yang besar dan mempunyai nilai
konduktivitas tertentu serta ditambahkan insulasi pada
ketebalan tertentu. Penambahan insulasi ini dimaksudkan
untuk meminimalkan heat loss. Tentunya hal tersebut
berkaitan dengan konsumsi energi. Insulasi biasanya
menggunakan satu material atau lebih. Penambahan insulasi
ditentukan dari satu material atau kombinasi berbagai material
insulasi,
temperatur
kerja,
temperatur
sekeliling.
Konduktivitas thermal material, ketebalan dan harga insulasi.
Penambahan insulasi mempunyai beberapa fungsi diantaranya
menghemat energ dengan memperkecil heat loss, mengontrol
temperatur permukaan untuk kenyamanan, mencegah

kondensasi uap panas pada permukaan yang dingin dan
meningkatkan efisiensi proses pemanasan dan mencegah

peralatan dari korosi [1]. Penelitian dalam mengembangkan
insulasi thermal pada geometri silindris sepertipada pipeline,
industri kimia dan power plant sering dilakukan. Seperti Ali
Kecebas yang melakukan penelitian tentang analisa ekonomi
pada pipa uap panas [1]. Dimana menentukan ketebalan
optimum dari berbagai sumber panas dan ukuran diameter uap
panas yang berbeda. Oemar Kaynakli, melakukan penelitian
tentang ketebalan optimum insulasi pada saluran uap panas
dengan material insulasi yang berbeda [2]. Alan Steven
mempelajari terkain critical radius pada pipa dengan diameter
dan nilai oefisien konveksi yang kecil [3].
Dari penelitian tersebut di atas, tentunya untuk menganalisa
critical radius dan ketebalan optimum diperlukan berbagai
aspek. Seperti konduktivitas thermal material insulasi, harga
material insulasi, kondisi operasi peralatan dan heat loss yang
terjadi pada kondisi operasi tersebut.
II. URAIAN PENELITIAN

A. Analisa Heat loss dengan Simulasi
Dari diameter pipa yang ditentukan, dengan software
Gambit, domain dan meshing dari simulasi seperti pada
gambar 1 dan 3.

outflow
Inlet 1 m/s, 3
m/s, 5 m/s,
T= 300 K

1200
mm
Symmetry

U

2000 mm
Gambar 1. Domain pada Gambit

Wall k =

0,073 W/m K

Wall k = 14,5
W/mK
150 mm

15

rins

168 mm
168
Tin=773K

Gambar 2. Domain pipa dan insulasi pada Gambit

JURNAL TEKNIK ITS Vol. 4, No. 1, (2015) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)

B-53
pipa

T∞, h

rins

r1

insulasi

r2

Tin

Gambar 3 Meshing pipa dan insulasi pada Gambit

Gambar 4 Dimensi pipa uap panas dan insulasi

Domain tersebut dibuat untuk menganalisa nilai dari heat
loss dengan menggunakan software Fluent. Dimana parameter
pada Fluent ditentukan pada tabel 1.

q=

Tabel 1.
Parameter yang ditentukan
Din,pipa
150 mm
Dout,pipa
168 mm
Tin
773 K
300 K
T∞
material pipa
steel
14,5 W/mK
kpipa
material insulasi
glass wool
0,073 W/m2K

kins
Biaya insulasi /mm/m
1,509 $/m
Tabel 2
Harga,High heating value dan efisiensi dari sumber panas
η
Sumber
Harga
HHV
bahan bakar
panas
Bahan bakar
Bahan bakar
6
Batubara
0.0621 $/kg
28.03x10 J/kg
0.7
Fuel-oil
0.668 $/kg

41.868x106 J/kg
0.8
0.9
Gas alam
0.1504 $/m3
35x106 J/m3

Dari hasil simulasi pada Fluent, akan didapatkan nilai dari
heat loss dan distribusi temperatur akibat dari variasi
kecepatan angin dan ketebalan insulasi.
Secara teori nilai dari heat loss dan critical radius dapat
ditentukan oleh analisa perpinsahan panas.Perpindahan panas
secara konveksi sangat dipengaruhi oleh kecepatan aliran
fluida. Semakin tinggi kecepatan aliran fluida, nilai koefisien
konveksi akan semakin tinggi. Sehingga menyebabkan heat
transfer semakin tinggi juga. Secara umum, koefisien konveksi
untuk aliran melewati pipa tunggal didapatkan dari persamaan
berikut.
..........................................................................(1)

=

NuD = C ReDmPr1/3...............................................................(2)
Dimana :
ReD= Reynolds number, ρ = Massa jenis udara, μ = viskositas
dinamik udara, D = diameter luar pipa, v = kecepatan angin,
NuD = Nusselt number, Pr = Prandelt number, C & m =
konstanta.
xk

ℎ = D ............................................................................(3)
D
h = koefisien konveksi (W/m2K)
Heat loss yang terjadi pada pipa dengan insulasi untuk pipa
uap panas, dapat dihitung melalui persamaan berikut:

q=

ΔT

Rtot

………………………………………………..…….(4)

Tin −T∞
Rtot

…………………………………….....……..….(5)

q adalah heat loss, Tin adalah temperatur uap panas, T∞
adalah temperatur udara, Rtot adalah thermal resistance total
akibat konduksi dan konveksi.
Thermal resistance total adalah jumlah dari thermal
resistance akibat konveksi dan thermal resistance akibat dari
konduksi untuk setiap lapisan pipa. Pada penelitian ini,
thermal resistance total untuk pipa tanpa insulasi adalah

Rtot=

1

+2
h 2π r2 L

2
1

ln ( )

…………….………..….….(6)

Sedangkan untuk pipa dengan insulasi, nilai thermal
resistance total adalah :

Rtot,ins=

1
h 2π rins L

+2

2
1

ln ( )

ln (

+2

2

)

...……...(7)

Dimana h adalah koefisien konveksi udara, kpipa adalah
konduktivitas thermal pipa, kins adalah konduktivitas thermal
insulasi, r1adalah jari-jari dalam pipa, r2 adalah jari-jari luar
pipa, rins adalah jari-jari insulasi.
B. Analisa Critical Radius
Critical radius dari insulasi terjadi pada nilai heat loss yang
maksimum atau nilai dari thermal resistance total minimum.
Dimana saat ditambahkan insulasi, heat loss akan naik sampai
mencapai maksimum, kemudian akan turun dengan
penambahan insulasi. pada nilai heat loss maksimum tersebut,
itulah nilai dari critical radius. Secara teori nilai dari critical
radius dapat dicari dari persamaan berikut
q=

2π L (T1−T∞ )
ln (

2

)

+

...…………………………………..........(8)

1
hrins

Untuk menentukan nilai dari critical radius, nilai dari heat
loss harus maksimum. Dimana kondisi maksimum dari heat
loss adalah

JURNAL TEKNIK ITS Vol. 4, No. 1, (2015) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)

=0=

−2π L (T1−T∞ )
ln (

rcr,ins =

k ins
h

2

1
kins rins

−

2
)

1
+
hrins

1
h rins 2

B-54

............(9)

………………………………………….…….(10)

Persamaan 10 mengekspresikan nilai dari critical radius
dari insulasi. Dimana jika nilai dari radius terluar insulasi
kurang dari nilai pada persamaan 10, maka heat loss akan naik
dengan penambahan insulasi sampai pada rins=rcr,ins kemudian
akan turun dengan penambahan insulasi yaitu rins>rcr,ins.

Gambar 5 Kontur distribusi temperatur pada pipa diameter 30 mm

C. Analisa Ketebalan Optimum
Cara sederhana untuk menentukan ketebalan optimum
didapatkan dengan menentukan biaya dari energi yang hilang
akibat kehilangan panas selama pembangkit beroperasi dalam
satu tahun dan biaya dari penambahan insulasi. Biaya energi
akibat kehilangan panas tersebut dapat ditentukan dari
persamaan berikut

B=

Ben 2π (Tin −T∞ )N 3600
q
L

x Hu x η

………………………...….(11)

Gambar 6 Kontur distribusi temperatur pada pipa diameter 30 mm

dimana Ben adalah biaya dari sumber energi yang digunakan,
N adalah waktu operasi dalam satu tahun (jam). Hu adalah
heating value dari sumber panas, η adalah efisiensi dari
sumber panas, q/l adalah heat loss per satuan panjang.
Biaya insulasi per satuan panjang adalah

Btot,ins=Bins x tins …………………………….……….….(12)
dimana Bins adalah biaya penambahan insulasi per mm per
panjang, tins adalah tebal insulasi. Setelah menghitung biaya
energi dan insulasi, biaya total didapatkan dari persamaan
berikut

Ctot=B+ Btotins……………………..………….….…..….(13)
Dimana Ctot adalah biaya total $/m.
Dari data parameter yang ditentukan seperti pada tabel 1,
digunakan software Fluent 6,2 untuk mendapatkan nilai heat
loss dengan variasi kecepatan angin 1 m/s, 3 m/s dan 5 m/s
serta ketebalan insulasi dari 10 mm sampai 100 mm dengan
kelipatan 10 mm. kemudian dilakukan analisauntuk
mendapatkan critical radius dan ketebalan optimum. Dan
dilakukan analisa secara teori untuk membandingkan nilai
heat loss hasil teori dan heat loss hasil simulasi.
Selain untuk analisa heat loss, hasil simulasi digunakan
untuk mengetahui distribusi temperatur pada pipa uap tanpa
penambahan ketebalan insulasi dan penambahan insulasi.
III. ANALISA DAN PEMBAHASAN
Hasil simulasi untuk pipa dengan diameter 30 mm adalah
sebagai berikut

Gambar 7 Thermal resistance konduksi, konveksi dan total pada pipa
diameter 30 mm

Dari Gambar 7 terlihat bahwa nilai thermal resistance total
akan turun dengan penambahan insulasi sebesar 2 mm.
Kemudian akan naik jika ditambahkan ketebalan insulasi.
pada keadaan thernal resistance total minimum, nilai dari
critical radius didapat, yaitu pada ketebalan 2 mm. Sehingga
nilai dari critical radius sebesar rpipa + ketebalan insulasi = 17
mm.
Untuk hasil simulasi pipa dengan diameter dalam 150 mm
dengan variasi kecepatan angin 1 m/s, 3 m/s, 5 m/s dan
ketebalan insulasi dari 10 mm sampai 10 mm, didapat nilai
heat loss seperti pada gambar 8 sebagai berikut.

JURNAL TEKNIK ITS Vol. 4, No.
o. 1, (2015) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)

B-55

Gambar 8 Pengaruh kecepatan angin terhadap heat loss pada pipa tanpa
insulasi dan dengan insulasi

Gambar 8 menunjukkan nilai heat loss yang semakin turun
dengan penambahan insulasi. sesuai dengan persa
persamaan 4 yaitu
nilai dari Rtot semakin besar sehingga nilai dari q semakin
kecil. sedangkan perngaruh dari kecepatan angin ditunjukkan
pada pipa tanpa insulasi. Semakin besar kecepata
kecepatan angin, nilai
heat loss semakin besar. Sesuai dengan
ngan rumus

q/L =

ln
2

(Tin −T∞ )
2
1

+

1

h 2π r2

Semakin besar kecepatan angin, reynoldss numb
number dan nusselt
number akan semakin besar. Dengan nilai nusselt number
yang besar, koefiseien konveksi (h) akan semakin besar.
sehingga nilai thermal resistance total akan semakin kecil dan
heat loss akan semakin besar. Heat loss terbesar didapat pada
kecepatan angin 5 m/s dengan pipa tanpa insulasi yaitu
11953,6 W/m dan ter kecil pada kecepatan angin 1m/s dengan
insulasi 100 mm sebesar 264,38 W/m.
Dari penjelasan terkait critical radius,, akan terjadi jika
dengan penambahan insulasi, nilai heat loss akan semakin
besar sampai pada ketebalan tertentu
ntu akan mencapai
maksimum dan kemudian akan turun dengan penambahan
insulasi.Sedangkan pada grafik menunjukkan bahwa nilai dari
heat loss semakin turun.Jadi pada pipa uap panas dengan
diameter luar 168 mm, tidak terjadi critical rad
radius.

Gambar 10 Biaya insulasi dan energi investment sumber panas fuel-oil dengan
kecepatan angin 5 m/s

Untuk heat loss yang sama, ketebalan insulasi optimum
sumber panas fuel-oil didapatkan
atkan sebesar 100 mm. hasil
tersebut didapatkan dengan menggunakan
mengguna
persamaan untuk
mencari ketebalan insulasi optimum dari sumber panas
batubara. Hal yang berbeda
beda juga didapatkan jika
menggunakan sumber panas gas alam. Seperti ditunjukkan
pada gambar 11 dimana ketebalan insulasi optimum
didapatkan sebesar 43 mm.

Gambar 11 Biaya insulasi dan energi
gi investment
investme sumber panas gas alam
dengan kecepatan angin 5 m/s

Perbedaan ketebalan optimum
mum dari insulasi dikarenakan
harga dari setiap sumber panas berbeda. Semakin tinggi harga
dari sumber panas, ketebalan insulasi optimum akan semakin
tinggi.

Gambar 9 Biaya insulasi dan energi investment
estment sumber panas batu
batubara dengan
kecepatan angin 5 m/s

Dari gambar 9 ketebalan optimum insulas
insulasi yang didapat
dengan sumber panas batubara sebesar 38 mm. Dengan
parameter seperti yang ditunjukkan pada tabel 2 dan
persamaan 11, 12, 13. untuk sumber panas fueloil, ketebalan
optimum didapat seperti pada gambar 10.

Gambar 12 Kontur distribusi temperatur
ratur pada pipa tanpa insulasi dengan
kecepatan angin 5 m/s

JURNAL TEKNIK ITS Vol. 4, No. 1, (2015) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)

Gambar 13 Kontur distribusi temperatur pada pipa tanpa insulasi dengan
kecepatan angin 3 m/s

Gambar 14 Kontur distribusi temperatur pada pipa tanpa insulasi dengan
kecepatan angin 1 m/s

Dari hasil simulasi seperti pada ambar 12, 13 dan 14, hasil
distribusi temperatur diolah dan didapatkan seperti pada
gambar 15

Gambar 15 Pengaruh kecepatan angin terhadap distribusi temperatur pada
pipa tanpa insulasi

B-56

Gambar 16 Kontur distribusi temperatur pada pipa dengan insulasi 30 mm

Dari hasil simulasi gambar 16, terlihat bahwa distribusi
temperatur pada bagian insulasi menunjukkan distribusi yang
sama. Hal ini dikarenakan nilai dari konduktivitas dari
material insulasi jauh lebih kecil dibandingkan efek dari
konveksi. Saat diinsulasi nilai temperatur pada diameter
terluar pipa sebesar 772 K. jika dibandingkan, nilai temperatur
pada pipa tanpa dan dengan insulasi, ditunjukkan pada gambar
17 terlihat jelas perbedaan nilai dari temperatur untuk pipa
tanpa insulasi dan dengan insulasi. untuk pipa dengan insulasi,
penurunan temperatur pada pipa tidak terlalu signifikan
dibandingkan dengan pipa tanpa insulasi. Perbedaan kecepatan
angin, tidak mempunyai pengaruh yang besar untuk pipa
dengan insulasi.hal yang sama akan didapat ketika
menambahkan ketebalan insulasi. seperti ditunjukkan pada
gambar 18.

Gambar 17 Pengaruh kecepatan angin terhadap distribusi temperatur pada
pipa tanpa insulasi dan dengan insulasi 30 mm

Gambar 15 menunjukkan hasil dari distribusi temperatur
pada ketebalan pipa bagian depan (θ=0⁰). Semakin tinggi
kecepatan angin, temperatur permukaan terluar pipa semakin
rendah. Hal ini sesuai dengan rumus
qkonveksi = qkonduksi
(T1−T∞ )
1

h 2π r2 L

=

(Tin −T1)
ln

2
1

2

Semakin tinggi kecepatan angin, nilai dari koefisien konveksi
(h) akan semakin besar. Sehingga nilai dari (Tin-T1) akan
semakin besar.Nilai temperatur perukaan terkecil didapat pada
kecepatan angin 5 m/s sebesar 755,34 K.

Gambar 18 Kontur distribusi temperaturpada pipa dengan insulasi 40 mm

Gambar 18 menunjukkan hasil simulasi dari pipa dengan
penambahan ketebalan insulasi 40 mm. pola distribusi
temperatur menunjukkan pola yang sama dengan ketebalan 30
mm. Tetapi, untuk nilai temperature permukaan luar

JURNAL TEKNIK ITS Vol. 4, No. 1, (2015) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
menunjukkan hasil yang berbeda. Pada ketebalan insulasi 30
mm, temperature permukaan luar insulasi sebesar 326,79 K.
sedangkan pada insulasi 40 mm sebesar 320,53K.

DAFTAR PUSTAKA
[1]

[2]

[3]

Gambar 19 Pengaruh kecepatan angin terhadap distribusi temperatur pada
pipa tanpa insulasi dan dengan insulasi 40 mm

IV. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil simulasi dan analisa data, didapatkan
kesimpulan sebagai berikut:
1. Nilai dari critical radius pada pipa dengan diameter luar 30
mm sebesar 17 mm. sedangkan pada pipa diameter luar
168 mm, tidak terjadi critical radius .
2. Semakin rendah kecepatan angin, Heat loss akan semakin
kecil dan semakin besar ketebalan insulasi, Heat loss juga
akan semakin kecil. Heat loss terbesar terjadi pada
kecepatan angin 5 m/s dengan ketebalan insulasi 0 mm
sebesar 11953,6W/m. Heat loss terkecil terjadi pada
kecepatan angin 1 m/s dengan ketebalan insulasi 100 mm
sebesar 264,38 W/m.
3. Ketebalan optimum dari insulasi untuk sumber panas
batubara sebesar 38 mm, gas alam 43 mm, fuel oil 100 mm.
4. Penurunan temperatur pada pipa dengan insulasiakibat
variasi kecepatan angin, tidak terlalu signifikan dan dapat
dianggap tetap yaitu sekitar 772 K.
5. Semakin besar kecepatan angin, temperatur permukaan luar
pipa tanpa insulasi akan semakin kecil. Temperatur
permukaan luar pipa tanpa insulasi terkecil terjadi pada
kecepatan angin 5 m/s, yaitu sebesar 755,3K dan terbesar
terjadi pada kecepatan angin 1 m/s, yaitu 763,4K.
6. Semakin tebal insulasi, temperatur permukaan luar insulasi
akan semakin kecil. Temperatur permukaan luar terkecil
terjadi pada pipa dengan insulasi 100 mm dengan kecepatan
angin 5 m/s sebesar 307,68K.
VI. UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada bapak Prof. Dr.
Eng. Ir. Prabowo M.Eng selaku dosen yang selalu
membimbing, memberi motivasi dan banyak masukan yang
baik hingga terselesaikannya artikel ilmiah ini.Bapak Ary
Bachtiar KP., ST., MT., Ph.D, bapak Dr. Ir. Budi Utomo
K.W., ME dan bapak Ir. Kadarisman yang telah memberi
banyak motivasi dan masukan untuk kesempurnaan artikel ini.

B-57

Kecebas, Ali, dkk. Thermo-Economic Analysis of Pipe Insulation for
District Heating Piping System. ScienceDirect. Department of
Mechanical Engineering Technology Faculty, Afyon Kocatepe
University, turkey. 2011
Kaynakli, Omer. Economic Thermal Insulation Thickness for Pipes and
Duct: A Review Study. ScienceDirect. Department of Mechanical
Engineering, Faculty of Engineering, University of Uludag, Bursa,
Turkey. 2014Febriani,
Dr Steven, Alan. Steam Pipe Insulation. The Royal Academy of
Engineering. International Journal.